KR101685850B1 - 풍력 발전기 유닛의 제어 장치 및 이를 이용한 제어 방법 - Google Patents

풍력 발전기 유닛의 제어 장치 및 이를 이용한 제어 방법 Download PDF

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Abstract

풍력 발전기 유닛의 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 풍력 발전기 유닛의 제어 장치는 풍력 발전기가 바람이 주로 부는 방향을 바라보도록 설치된 이후에 상기 바람이 주로 부는 방향과, 현재 나셀의 회전 방향에 따른 상호 간의 각도 편차를 감지하는 편차 감지부; 및 상기 편차 감지부에서 감지된 데이터를 입력 받아 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태와 요잉 상태를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 나셀이 기 설정된 편차 범위를 벗어나서 회전될 경우 디스크에 밀착된 브레이크 패드의 마찰력을 일시적으로 해제시켜 상기 요 브레이크 유닛의 브레이크 작동 상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전기 유닛의 제어 장치 및 이를 이용한 제어 방법{Method of control wind power generator unit and control of wind power generator unit}
본 발명은 풍력 발전기에 구비된 요 브레이크 유닛의 동작을 최소화하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 불필요한 요잉 방향에 따라 선택적으로 브레이크 온 또는 오프 상태로 제어하여 진동 및 소음 발생을 최소화하기 위한 풍력 발전기 유닛의 제어 장치 및 이를 이용한 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전은 바람의 운동에너지를 기계에너지 단계를 거쳐 전기에너지로 변환하는 기술로서 에너지원 사용에 비용이 들지 않고 친환경적이어서 이용이 증가되고 있는 기술이다.
풍력발전기는 지면에 세워진 타워와, 상기 타워의 상단에 회동(yawing) 가능하게 장착되며 내부에 증속기와 발전기 및 제어장치가 구비된 나셀과, 상기 발전기의 회전축에 장착되는 로터로 구성된다. 로터는 다수개의 블레이드로 구성되며 풍력이 상기 블레이드에 작용하여 로터가 회전되면 회전축을 매개로 발전기가 작동하여 전류가 생산된다.
한편, 풍력발전기는 바람이 많이 부는 노지에 설치되는 것으로, 강풍에 노출되었을 때 파손되지 않도록 안전성을 확보하고, 또한 불어오는 바람의 에너지를 최대한 활용하여 전력생산량을 극대화하기 위하여 나셀을 바람이 불어오는 방향으로 회동시켜 주는 나셀 방향 조절장치인 요잉 시스템(yawing system)을 갖추고 있다.
상기 요잉 시스템은 요 드라이버(yaw driver)라 지칭되는 모터형 구동장치로 타워에 대해 나셀을 회동시키는 것으로, 나셀 회동 속도가 적절하지 않으면 관성력에 의해 요 드라이버에 과부하가 걸려 파손되므로 이를 방지하기 위하여 마찰장치를 구비하고 있다.
상기 마찰장치는 스프링에 탄지되는 판재에 마찰재를 부착하여 상기 마찰재를 고정측 면에 마찰시킴으로써 나셀의 요잉 속도를 조절할 수 있도록 구성되는데, 조절너트를 이용하여 상기 스프링의 압축 정도를 조절함으로써 마찰력의 크기를 조절할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 마찰장치는 필요에 따라 복수개가 구비되는데, 상기와 같이 조절너트를 조절하여 각 마찰장치의 마찰력을 조절하는 것이므로 각 마찰장치의 마찰력을 일정하게 발생시키는 것이 용이하지 않았으며, 이에 따라 적절한 마찰력 제어가 곤란하여 요잉 부하 감소 성능이 저하되고, 시간이 경과함에 따라 스프링 탄력이 변화되므로 최초 설계시 요구되었던 마찰력을 유지할 수 없는 단점이 있었다.
또한 나셀이 좌측 또는 우측 방향으로 회전되는 경우에 상관없이 항시 브레이크가 온 된 상태가 유지됨으로써 브레이크로 인한 불필요한 구동력 증가와 함께 진동 소음이 증가되고 상기 나셀의 회전 방향에 따른 구동력 비대칭 현상이 발생되었다.
대한민국등록특허 제10-1363516(등록일: 2014년2월10일)
본 발명의 실시 예들은 풍력 발전기에 구비된 나셀이 특정 방향으로 요잉되는 경우에 브레이크 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하기 위한 풍력 발전기 유닛의 제어 장치 및 이를 이용한 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기가 바람이 주로 부는 방향을 바라보도록 설치된 이후에 상기 바람이 주로 부는 방향과, 현재 나셀의 회전 방향에 따른 상호 간의 각도 편차를 감지하는 편차 감지부; 및 상기 편차 감지부에서 감지된 데이터를 입력 받아 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태와 요잉 상태를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 상기 나셀이 기 설정된 편차 범위를 벗어나서 회전될 경우 디스크에 밀착된 브레이크 패드의 마찰력을 일시적으로 해제시켜 상기 요 브레이크 유닛의 브레이크 작동 상태를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 풍력 발전기에 구비된 블레이드가 시계 방향으로 회전될 경우 상기 공기력과 나셀의 회전 방향에 따른 각도 편차는 상기 나셀이 좌측 방향으로 회전될 때를 기준으로 설정되고, 상기 블레이드가 시계 반대 방향으로 회전될 경우 상기 공기력과 나셀의 회전 방향에 따른 각도 편차는 상기 나셀이 우측 방향으로 회전될 때를 기준으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 요 브레이크 유닛은 요 베어링(Yaw Bearing)의 원주 방향에 다수개가 배치되고, 상기 제어부는 다수개의 요 브레이크 유닛을 동시에 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 나셀이 기 설정된 편차 범위를 벗어날 경우 상기 나셀을 바람이 주로 부는 방향과 일치하도록 요잉 제어를 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치되도록 일정 속도로 요잉 제어를 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치되도록 제1 속도로 요잉 제어를 우선 실시하고, 상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치될 경우 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 공기력과 일치될 때까지 요잉 제어를 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 나셀에는 다수개의 요 드라이브 유닛에 저항이 구비되고, 상기 저항의 과열 상태를 감지하는 저항 상태 감지부에 의해 상기 저항의 과열 상태가 감지되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 다수개의 요 드라이브 유닛에 구비된 저항 중 적어도 하나 이상의 저항이 과열될 경우 브레이크 패드에 디스크가 밀착되도록 요 브레이크 유닛을 제어하고, 상기 저항이 미 가열 상태가 유지될 경우 브레이크 패드의 마찰력이 해제되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 저항이 미 가열 상태일 경우 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태가 모두 오프 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력 발전기 유닛의 요잉 브레이크 제어 방법은 바람이 주로 부는 방향을 기준으로 풍력 발전기의 나셀이 바라보도록 설치된 상태에서 나셀에 대한 요잉이 이루어질 때 상기 바람이 주로 부는 방향에서 현재 나셀의 상대 위치에 따른 편차를 감지하는 단계; 상기 나셀의 현재 위치와 공기력 사이에서 발생되는 편차가 기 설정된 편차 범위를 벗어날 경우 상기 나셀의 요잉 방향에 따라 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계; 및 상기 나셀이 편차 범위 이내로 요잉 되도록 요잉 제어를 실시하는 단계를 포함한다.
상기 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계는 상기 나셀이 편차 범위를 벗어날 경우 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태를 오프 상태로 제어하는 제1 제어 단계를 포함한다.
상기 요잉 제어를 실시하는 단계는 상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치되도록 일정 속도로 나셀을 회전시키는 제1 요잉 제어 단계를 포함한다.
상기 요잉 제어를 실시하는 단계는 상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치되도록 나셀을 회전시키되, 상기 나셀과 공기력과의 상대 위치에 따라 속도를 증가시켜 편차 범위 이내에 위치되도록 나셀을 회전시키는 제2 요잉 제어 단계; 상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치될 경우 일정 속도로 나셀을 회전시키는 제3 요잉 제어 단계를 포함한다.
상기 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계는 다수개의 요 드라이브 유닛에 구비된 저항(Resister)의 과열 유무를 판단하는 저항 과열 유무 판단 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 풍력 발전기에 구비된 나셀이 특정 방향으로 요잉되는 경우에 발생되는 구동력 비대칭 현상을 최소화 하여 상기 풍력 발전기의 발전 효율을 향상시키고, 요 드라이브 유닛의 작동 소모되는 전력량을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 나셀의 요잉에 따른 요 브레이크 유닛의 브레이크 작동 빈도수를 최소화 하여 요잉에 따른 진동 및 소음 발생을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 유닛의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 나셀을 위에서 바라본 평면도.
도 3은 본 실시 예에 의한 풍력 발전기의 주요 구성을 간단히 도시한 측면도.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 요잉 상태를 간략히 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력 발전기 유닛의 제어 방법을 도시한 순서도.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력 발전기 유닛의 제어 방법에 따른 실시 예를 도시한 순서도.
본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 유닛의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전기 유닛의 제어 장치의 구성을 도시한 블록도 이고, 도 2는 나셀을 위에서 바라본 평면도이며, 도 3은 본 실시 예에 의한 풍력 발전기의 주요 구성을 간단히 도시한 측면도이다.
첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 의한 풍력 발전기 유닛은 나셀의 요잉에 따른 진동 및 소음 발생이 최소화되도록 작동 상태를 제어하는데, 특히 나셀이 좌측 또는 우측 방향을 향해 요잉되면서 발생되는 구동력 비대칭 현상을 최소화되도록 제어하여 진동 및 소음 발생을 감소시키기 위해 바람이 주로 부는 방향을 바라보도록 풍력 발전기가 설치된다.
이를 위해 본 발명은 풍력 발전기가 설치된 이후에 상기 바람이 주로 부는 방향과, 현재 나셀(2)의 회전 방향에 따른 상호 간의 각도 편차를 감지하는 편차 감지부(100)와, 상기 편차 감지부(100)에서 감지된 데이터를 입력 받아 요 브레이크 유닛(50)의 브레이크 상태와 요잉 상태를 제어하는 제어부(200)를 포함하여 구성된다.
또한 상기 제어부(200)는 상기 나셀(2)이 기 설정된 편차 범위를 벗어나서 회전될 경우 디스크(10)에 밀착된 브레이크 패드(20)의 마찰력을 일시적으로 해제시켜 상기 요 브레이크 유닛(50)의 브레이크 작동 상태를 제어한다.
풍력 발전기는 지상 또는 해상에 세워지도록 수직 구조물로 이루어진 타워와, 상기 타워의 상단에 나셀이 설치되고, 상기 나셀의 정면에 바람에 의해 회전되는 블레이드가 설치된다.
상기 나셀은 내부에 블레이드의 회전에 따른 발전을 위해 각종 구성품이 구비되며, 일 예로 상기 블레이드가 설치된 위치를 기준으로 인접하여 증속기 또는 요 드라이브 유닛이 구비되고, 발전기와 컨트롤 캐비닛과, 컨버터와 변전기와 같은 각종 구성품이 장착된다.
나셀(2)은 풍력 발전기의 용량에 따라 다양한 크기 및 중량을 갖는데 최초 풍력 발전기가 설치할 때 바람이 많이 부는 지역을 선택하고, 선택된 지역에서 바람이 주로 많이 부는 방향을 상기 풍력 발전기가 바라보도록 위치가 설정된다. 특히 풍력 발전기는 블레이드와 나셀이 일직선으로 연장되므로 바람이 주로 부는 방향을 바라보도록 풍력 발전기를 설치하여 안정적인 발전을 도모하며 나셀(2)의 회전 방향에 따라 좌측 또는 우측 방향으로 요잉이 이루어진다.
이와 같이 설치된 풍력 발전기는 정상적으로 작동될 경우 나셀이 바람이 주로 부는 방향을 바라보고 있으므로 블레이드의 회전 상태에 따라 발전이 안정적으로 이루어지나, 만약 나셀이 바람이 주로 부는 방향을 바라보지 않고 좌측 또는 우측 중의 특정 방향으로 과도하게 회전된 상태일 경우 요잉 제어를 통해 나셀에 대한 위치를 변동시켜줘야 한다.
풍력 발전기는 대부분 바람이 많이 부는 해안가 또는 언덕 또는 해상에 설치되므로 작업자가 항시 풍력 발전기 주위에 대기하고 있거나 상주 하기가 어려우므로 나셀 내부에 구비된 요 브레이크 유닛(50)의 브레이크 상태를 온 또는 오프 상태로 제어하여 상기 나셀(2)에 대한 요잉 제어를 실시하며 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
편차 감지부(100)는 최초 풍력 발전기가 바람이 주로 부는 방향을 나셀(2)이 바라보도록 설치된 상태를 기준으로 상기 나셀(2)의 좌측 또는 우측 방향으로 특정 각도 이내로 한정된 각도 편차가 설정된다. 상기 각도 편차는 풍력 발전기의 크기 및 발전량에 따라 서로 상이하므로 특별히 수치적으로 정의하지 않으며 제조사에 따라 다양하게 변동된다. 다만 나셀(2)과 바람이 주로 부는 방향을 고려하여 특정 각도로 각도 편차가 설정된다.
편차 감지부(200)는 상기 나셀(2)의 요잉에 따른 좌측 방향으로의 이동 또는 우측 방향으로의 이동에 따른 요잉 각도를 감지하여 제어부(200)로 전송한다.
상기 제어부(200)는 상기 풍력 발전기에 구비된 블레이드(미도시)가 시계 방향으로 회전될 경우 상기 공기력과 나셀(2)의 회전 방향에 따른 각도 편차는 상기 나셀(2)이 좌측 방향으로 회전될 때를 기준으로 설정되고, 상기 블레이드가 시계 반대 방향으로 회전될 경우 상기 공기력과 나셀(2)의 회전 방향에 따른 각도 편차는 상기 나셀(2)이 우측 방향으로 회전될 때를 기준으로 설정된다. 참고로 본 실시 예는 나셀(2)이 좌측 방향으로 회전될 때를 기준으로 한정하여 설명한다.
참고로 상기 공기력(aerodynamic)은 풍하중으로 로터에 작용하는 공기력을 하나의 브레이크 유닛에 작용하는 성분으로 환산했을 경우에 발생되는 외력을 의미한다.
나셀(2) 내부에는 요 브레이크 유닛(50)과 요 드라이브 유닛(60)이 각각 구비되고, 상기 요 브레이크 유닛(50)은 나셀(2)의 요잉에 따른 브레이크와 관련된 작동 상태를 위해 구비되고, 상기 요 드라이브 유닛(60)은 요 드라이브 모터 및 동력 전달 구성품(미도시)의 조합으로 이루어져 나셀(2)의 내측 원주 방향에 구비된 요 베어링(70)과 상대 회전을 통한 요잉을 위해 구비된다.
요 브레이크 유닛(50)은 요 베어링(Yaw Bearing)의 원주 방향에 다수개가 배치되고, 상기 제어부(200)는 다수개의 요 브레이크 유닛(50)을 동시에 제어한다.
상기 제어부(200)가 요 브레이크 유닛(50)을 모두 동시에 제어하는 이유는 특정 위치에 위치된 요 브레이크 유닛을 온 상태로 제어하고, 다른 요 브레이크 유닛을 오프 상태로 제어할 경우 온 상태로 제어된 요 브레이크 유닛에 하중이 집중되고 이로 인해 진동 및 소음이 증가되는 현상을 최소화하기 위해서이다.
따라서 제어부(200)는 요 브레이크 유닛(50)을 모두 온 또는 오프 상태로 제어하여 나셀(2)에 대한 요잉 제어를 실시한다.
풍력 발전기는 설치된 이후에 최초 설정된 바람이 주로 부는 방향을 나셀(2)이 바라보면서 블레이드의 회전에 따른 발전이 이루어지는 것이 가장 바람직하나, 기상 변화 및 기후 변화로 인해 공기력이 불규칙하게 변경될 수 있다.
예를 들어 1시간 전까지는 나셀(2)을 향해 정면으로 바람이 불어오다가 1시간 이후에 나셀(2)의 일측 방향에서 바람이 불어와서 상기 나셀(2)이 기 설정된 편차 범위를 벗어난 위치로 이동될 수 있다.
편차 감지부(100)는 상기 나셀(2)의 현재 위치에 따른 각도를 감지하여 제어부(200)로 전송하고, 상기 제어부(200)는 나셀(2)의 현재 위치가 편차 범위 이내에 해당되는지 연산한다.
첨부된 도 4 내지 도 5를 참조하면, 만약 상기 나셀(2)이 편차 범위를 이탈하여 좌측 방향으로 요잉될 경우 상기 나셀(2)을 바람이 주로 부는 방향과 일치하도록 요잉 제어를 실시하는데, 요 브레이크 유닛(50)에 구비된 브레이크 패드(20)를 디스크(10)에서 이격시켜 상기 브레이크 패드(20)와 디스크(10)간에 무마찰 상태를 유지시킨다.
참고로 나셀(2)은 도면을 기준으로 〈〈〈로 도시된 것은 나셀의 이동 방향을 간단히 도시한 것으로서, 본 실시 예의 경우 우측 방향에서 좌측 방향을 향해 회전되고, 공기력(Aerodynamic)은 도면 기준으로 좌측에서 우측 방향을 향해 굵은색으로 도시된 화살표 방향에 해당된다.
상기 상태는 요 브레이크 유닛(50)에 의한 브레이킹이 이루어지지 않는 상태이므로 시간에 따른 요 드라이브 유닛(60)의 파워에 해당되는 소비전력은 흐린 회색의 위치에서 진한 검정색으로 도시된 바와 같이 상대적으로 감소된다.
따라서 요 브레이크 유닛(50)의 브레이킹 상태가 오프 상태로 제어될 경우 디스크(10)에 브레이크 패드(20)가 밀착 유지되지 않아 나셀(2)에서의 진동 및 소음이 저감되고, 요 드라이브 유닛(6)의 구동력이 감소되어 전력 소모가 감소되며 최종적으로 풍력 발전기의 출력이 증가된다.
제어부(200)는 나셀(2)이 좌측 방향으로 위치된 경우 편차 범위 이내에 위치되도록 일정 속도로 요잉 제어를 실시하는데, 예를 들면 제1 속도로 요잉 제어를 우선 실시하고, 상기 나셀(2)이 편차 범위 이내로 위치될 경우 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 공기력과 일치될 때까지 요잉 제어를 실시한다.
여기서 제1 속도와 제2 속도를 특별히 한정하지 않으며 풍력 발전기의 출력과 설치된 장소의 풍력 데이터에 따라 변동된다.
상기 제어부(200)는 나셀(2)에 대해 정속도로 요잉 제어를 실시할 경우 다수개의 요 드라이브 유닛(50)에 구비된 요 드라이브 모터가 일정 속도로 작동되도록 제어할 수 있어 중량체인 나셀(2)을 안정적으로 요잉시킬 수 있다.
나셀(2)이 정속도로 제어되는 경우는 기 설정된 각도 편차에서 소정의 각도만큼 좌측 방향으로 회전된 경우에 해당된다.
제어부(200)는 나셀(2)이 좌측 방향으로 과도하게 회전되어 각도 편차가 상당히 증가된 상태로 판단될 경우 신속히 나셀(2)을 정상 위치로 요잉 시키기 위해 제1 속도로 상기 나셀(2)에 대한 요잉 제어를 실시한다. 제1 속도는 특별히 특정 속도로 한정하진 않으나 후술할 제2 속도에 비해 빠른 속도로 나셀(2)에 대한 요잉 제어를 실시한다.
제어부(200)는 편차 감지부(100)를 통해 나셀(2)이 편차 범위 이내에 근접된 상태에 위치될 경우 제2 속도로 요잉 속도가 저하되도록 요 드라이브 유닛(60)을 제어하고 최종적으로 공기력과 일치될 때까지 정속도로 나셀(2)에 대한 요잉 제어를 실시한다.
이 경우 나셀(2)이 과도하게 좌측으로 이동된 상태에서 신속히 정 위치로 요잉시킬 수 있으므로 요잉에 따른 진동 및 소음 발생이 최소화되고, 요 드라이브 유닛(6)의 구동력이 감소된다. 또한 전력 소모가 동시에 감소되며 최종적으로 풍력 발전기의 출력이 증가된다.
만약 나셀(2)이 우측 방향으로 회전된 경우에는 요 브레이크 유닛(50)에 구비된 브레이크 패드(20)가 디스크(10)와 밀착된 상태로 마찰력이 공기력과 반대 방향으로 가해지면서 상기 브레이크 패드(20)와 디스크(10)간에 마찰 상태가 유지된다. 이 경우 앞서 설명한 도 4의 경우에 비해 요 드라이브 유닛(60)의 파워에 해당되는 소비전력은 진한 검정색으로 도시된 바와 같이 발생된다.
본 실시 예는 다수개의 요 드라이브 유닛(60)에 저항이 구비되고, 상기 저항의 과열 상태를 감지하는 저항 상태 감지부(300)에 의해 상기 저항의 과열 상태가 감지된다.
저항의 과열 상태는 상기 요 드라이브 유닛(60)이 정상적으로 작동될 경우 발생되지 않으나, 나셀(2)이 요 드라이브 유닛(60)에 구비된 요 드라이브 모터가 발전기로 작동될 경우 과열된다. 이 경우 요 드라이브 유닛(60)이 오작동되거나 고장으로 인해 나셀(2)이 정상적으로 요잉되지 않을 수 있으므로 상기 요 드라이브 유닛(60)을 안정적으로 보호하고 나셀(2)에 대한 정상적인 요잉을 통해 풍력 발전기의 정상 작동을 위해서도 상기 저항 상태 감지부(300)는 상당히 중요하다고 할 수 있다.
제어부(200)는 다수개의 요 드라이브 유닛(60)에 구비된 저항 중 적어도 하나 이상의 저항이 과열될 경우 브레이크 패드(20)에 디스크(10)가 밀착되도록 요 브레이크 유닛(50)을 제어하고, 상기 저항이 미 가열 상태가 유지될 경우 브레이크 패드(20)의 마찰력이 해제되도록 제어한다.
이 경우 저항이 과열되는 현상이 중지되므로 요 드라이브 유닛(60)의 고장 및 파손을 사전에 예방할 수 있어 풍력 발전기의 발전 효율을 일정하게 유지시킬 수 있다.
제어부(200)는 상기 저항이 미 가열 상태일 경우 요 브레이크 유닛(50)의 브레이크 상태가 모두 오프 되도록 제어하여 나셀(2)에 대한 요잉을 실시한다.
따라서 요 브레이크 유닛(50)의 브레이킹에 따른 소음 및 진동 발생을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 풍력 발전기 유닛의 요잉 브레이크 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
첨부된 도 6 내지 도 8을 참조하면, 바람이 주로 부는 방향을 기준으로 풍력 발전기의 나셀이 바라보도록 설치된 상태에서 나셀에 대한 요잉이 이루어질 때 상기 바람이 주로 부는 방향에서 현재 나셀의 상대 위치에 따른 편차를 감지하는 단계(ST100)와, 상기 나셀의 현재 위치와 공기력사이에서 발생되는 편차가 기 설정된 편차 범위를 벗어날 경우 상기 나셀의 요잉 방향에 따라 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계(ST200) 및 상기 나셀이 편차 범위 이내로 요잉 되도록 요잉 제어를 실시하는 단계(ST300)를 포함한다.
나셀의 상대 위치에 따른 편차를 감지(ST100)하기 위해서는 전술한 편차 감지부(100)를 통해 나셀에 대한 각도 편차를 감지하는데 본 실시 예의 경우 나셀이 좌측으로 회전될 경우로 한정하며 이 경우 블레이드는 시계 방향으로 회전되면서 풍력 발전기의 발전을 도모한다.
나셀의 상대 위치에 따른 편차 상태는 단일 풍력 발전기일 경우와 다수 개일 경우 상이하나 예를 들어 풍력 발전기가 다수개일 경우 각각의 풍력 발전기에 대한 각도 편차가 각각 감지되어 현재 나셀의 위치에 따른 편차가 감지된다.
상기 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어할 때(ST200) 상기 나셀이 편차 범위를 벗어날 경우 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태를 오프 상태로 제어하는 제1 제어 단계(ST210)를 포함한다.
상기 상태는 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태가 해제되므로 브레이킹에 따른 소음 및 진동 발생이 최소화되거나 발생되지 않으므로 불필요한 요 브레이크 유닛의 작동을 최소화 할 수 있다. 참고로 나셀이 우측으로 회전될 경우 요 브레이크 유닛은 브레이크가 작동된다.
첨부된 도 8을 참조하면, 예를 들어 나셀에서 편차가 발생될 경우(ST100) 제어부는 상기 나셀이 좌측으로 이동했는지 판단(ST150)한다. 만약 나셀이 우측으로 회전될 경우 브레이크를 온 상태로 유지한다.
상기 나셀이 좌측으로 회전된 경우 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어(ST200)하는데, 상기 요 브레이크 유닛에 대한 제어를 실시하기 전에 요 드라이브 유닛에 구비된 저항(Resister)의 과열 유무를 판단하여(ST202) 상기 저항의 상태를 정확하게 파악한다. 일 예로 요 드라이브 유닛에 구비된 저항은 나셀이 요잉될 때 요 드라이브 모터가 발전기로 작동될 경우 과열된다.
이 경우 요 드라이브 유닛이 고장으로 인해 나셀이 정상적으로 요잉되지 않을 수 있으므로 상기 요 드라이브 유닛을 안정적으로 보호하여 특정 위치에 위치된 요 드라이브 유닛에 과도한 구동력이 발생되는 것을 사전에 차단하여 풍력 발전기의 안정적인 발전을 도모할 수 있다.
만약 저항이 과열 상태인 것으로 판단되면 브레이크 온 상태로 전환하고, 나셀에 대한 요잉 제어를 실시(ST300)하되, 상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치되도록 첨부된 도 7에서와 같이 일정 속도로 나셀을 회전시켜 제1 요잉 제어(ST310)를 실시한다. 이 경우 나셀이 편차 범위 이내에 위치될 때까지 요 드라이브 유닛을 구동시켜 나셀에 대한 요잉제어를 실시할 수 있다.
이와는 다르게 요잉제어를 실시할 (ST300) 경우 상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치되도록 나셀을 회전시키되, 상기 나셀과 공기력과의 상대 위치에 따라 속도를 증가시켜 편차 범위 이내에 위치되도록 나셀을 회전시키는 제2 요잉 제어(ST320)를 우선 실시한 후에 상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치될 경우 일정 속도로 나셀을 회전시키는 제3 요잉 제어(ST330)를 실시한다.
상기의 경우는 나셀이 좌측 방향으로 과도하게 위치된 상태에서 정 위치로 신속하게 요잉이 이루어지는 경우에 해당되며 일 예로 급격한 기상 변동으로 인한 강풍 또는 돌풍으로 인한 나셀의 안정적인 요잉을 위해 위와 같이 제어된다. 따라서 풍력 발전기가 설치된 장소의 기상 악화에 상과 없이 안정적인 발전을 실시할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
2 : 나셀
50 : 요 브레이크 유닛
60 : 요 드라이브 유닛
70 : 요 베어링
100 : 편차 감지부
200 : 제어부
300 : 저항 상태 감지부

Claims (14)

  1. 풍력 발전기가 바람이 주로 부는 방향을 바라보도록 설치된 이후에 상기 바람이 주로 부는 방향과, 현재 나셀의 회전 방향에 따른 상호 간의 각도 편차를 감지하는 편차 감지부; 및
    상기 편차 감지부에서 감지된 데이터를 입력받아 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태와 요잉 상태를 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 나셀이 기 설정된 편차 범위를 벗어나서 회전될 경우 디스크에 밀착된 브레이크 패드의 마찰력을 일시적으로 해제시켜 상기 요 브레이크 유닛의 브레이크 작동 상태를 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 풍력 발전기에 구비된 블레이드가 시계 방향으로 회전될 경우 공기력과 나셀의 회전 방향에 따른 각도 편차는 상기 나셀이 좌측 방향으로 회전될 때를 기준으로 설정되고,
    상기 블레이드가 시계 반대 방향으로 회전될 경우 상기 공기력과 나셀의 회전 방향에 따른 각도 편차는 상기 나셀이 우측 방향으로 회전될 때를 기준으로 설정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 요 브레이크 유닛은 요 베어링(Yaw Bearing)의 원주 방향에 다수개가 배치되고, 상기 제어부는 다수개의 요 브레이크 유닛을 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 나셀이 기 설정된 편차 범위를 벗어날 경우 상기 나셀을 바람이 주로 부는 방향과 일치하도록 요잉 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치되도록 일정 속도로 요잉 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치되도록 제1 속도로 요잉 제어를 우선 실시하고, 상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치될 경우 상기 제1 속도보다 느린 제2 속도로 공기력과일치될 때까지 요잉 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 나셀에는 다수개의 요 드라이브 유닛에 저항이 구비되고, 상기 저항의 과열 상태를 감지하는 저항 상태 감지부에 의해 상기 저항의 과열 상태가 감지되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    다수개의 요 드라이브 유닛에 구비된 저항 중 적어도 하나 이상의 저항이 과열될 경우 브레이크 패드에 디스크가 밀착되도록 요 브레이크 유닛을 제어하고, 상기 저항이 미 가열 상태가 유지될 경우 브레이크 패드의 마찰력이 해제되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저항이 미 가열 상태일 경우 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태가 모두 오프 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 유닛의 제어 장치.
  10. 풍력 발전기의 나셀이 바람이 주로 부는 방향을 기준으로 바라보도록 설치된 상태에서 상기 나셀에 대한 요잉이 이루어질 때 상기 바람이 주로 부는 방향에서 현재 나셀의 상대 위치에 따른 편차를 감지하는 단계;
    상기 나셀의 현재 위치와 공기력 사이에서 발생되는 편차가 기 설정된 편차 범위를 벗어날 경우 상기 나셀의 요잉 방향에 따라 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계; 및
    상기 나셀이 편차 범위 이내로 요잉 되도록 요잉 제어를 실시하는 단계를 포함하는 풍력 발전기 유닛의 제어 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계는,
    상기 나셀이 편차 범위를 벗어날 경우 요 브레이크 유닛의 브레이크 상태를 오프 상태로 제어하는 제1 제어 단계를 포함하는 풍력 발전기 유닛의 제어 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 요잉 제어를 실시하는 단계는,
    상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치되도록 일정 속도로 나셀을 회전시키는 제1 요잉 제어 단계를 포함하는 풍력 발전기 유닛의 제어 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 요잉 제어를 실시하는 단계는,
    상기 나셀이 편차 범위 이내로 위치되도록 나셀을 회전시키되,
    상기 나셀과 공기력의 상대 위치에 따라 속도를 증가시켜 편차 범위 이내에 위치되도록 나셀을 회전시키는 제2 요잉 제어 단계;
    상기 나셀이 편차 범위 이내에 위치될 경우 일정 속도로 나셀을 회전시키는 제3 요잉 제어 단계를 포함하는 풍력 발전기 유닛의 제어 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 요 브레이크 유닛의 온 또는 오프 상태를 선택적으로 제어하는 단계는,
    다수개의 요 드라이브 유닛에 구비된 저항(Resister)의 과열 유무를 판단하는 저항 과열 유무 판단 단계를 더 포함하는 풍력 발전기 유닛의 제어 방법.

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